Перекрученные галстуки-бабочки, созданные с непрерывной хиральностью

Исследователи из Мичиганского университета в США создали наноструктурированные микрочастицы в форме галстука-бабочки, хиральность которых можно непрерывно регулировать в широком диапазоне. Сложные частицы, состоящие из простых компонентов, чувствительных к поляризованному свету, образуют множество закручивающихся форм, которыми можно точно управлять. Фотонно активные наносборки могут найти применение во множестве приложений, включая устройства обнаружения и определения дальности света (LiDAR), медицину и машинное зрение.

С математической точки зрения хиральность — это геометрическое свойство, описываемое непрерывными математическими функциями, которые можно изобразить как постепенное скручивание обертки сладкого. Следовательно, теоретически должно быть возможно семейство стабильных структур с похожей формой и постепенно настраиваемой хиральностью. В химии, однако, хиральность часто рассматривается как бинарная характеристика, при этом молекулы существуют в двух версиях, называемых энантиомерами, которые являются зеркальными отражениями друг друга — очень похоже на пару человеческих рук. Эта хиральность часто «заперта», и любая попытка изменить ее приводит к нарушению структуры.

Непрерывная хиральность

Команда исследователей во главе с Николай Котов В настоящее время показано, что наноструктуры с анизотропной формой бабочки имеют непрерывную хиральность, а это означает, что они могут быть изготовлены с углом закручивания, шириной шага, толщиной и длиной, которые можно настраивать в широком диапазоне. Действительно, скручивание можно контролировать на всем пути от полностью скрученной левосторонней структуры до плоского блина, а затем до полностью скрученной правосторонней структуры.

Галстуки-бабочки изготавливаются путем смешивания кадмия и цистеина, белкового фрагмента, который бывает правосторонним и левосторонним, а затем суспендирования этой смеси в водном растворе. В результате этой реакции образуются нанолисты, которые самособираются в ленты, которые затем укладываются друг на друга, образуя наночастицы в форме галстука-бабочки. Наноленты собираются из нанопластинок длиной 50–200 нм и толщиной примерно 1.2 нм.

«Важно, что размер частиц самоограничен электростатическим взаимодействием между нанолистами и частицами в целом, — объясняет Котов, — механизм, который мы обнаружили в предыдущем исследовании супрачастиц и слоистых нанокомпозитов».

Если цистеин полностью левосторонний, образуются левосторонние галстуки-бабочки, а если он правосторонний, образуются правосторонние. Однако, если смесь содержит разные соотношения левого и правого цистеина, могут быть созданы структуры с промежуточными поворотами. Шаг самых тугих галстуков-бабочек (то есть с поворотом на 360° по всей длине) составляет около 4 мкм.

Исследователи обнаружили, что наноструктуры отражают свет с круговой поляризацией (который распространяется в пространстве в форме штопора) только тогда, когда завихрение света соответствует закручиванию в форме галстука-бабочки.

5000 разных форм

Команде удалось создать 5000 различных форм в пределах спектра бабочки и изучить их в атомных деталях с помощью дифракции рентгеновских лучей, дифракции электронов и электронной микроскопии в Аргоннской национальной лаборатории. Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показывают, что галстуки-бабочки структурированы в виде стопки скрученных нанолент длиной 200–1200 нм и толщиной 45 нм.

Причины континуальной хиральности возникают благодаря внутренним свойствам наноразмерных строительных блоков. Во-первых, гибкие водородные связи допускают переменные углы связи, объясняют Котов и его коллеги. Во-вторых, способность нанолент к ионизации приводит к дальнодействующим отталкивающим взаимодействиям между наноразмерными строительными блоками, которые можно настраивать в широком диапазоне, изменяя рН и ионную силу. А поскольку наноленты скручиваются, общий электростатический потенциал становится хиральным, что усиливает хиральность сборки.

«По сравнению с «простыми» супрачастицами, которые мы изучали в нашей предыдущей работе, те, что состоят из хиральных нанокластеров, могут образовывать более сложные структуры», — говорит Котов. Мир физики. «Управление их электростатическим взаимодействием позволяет нам изменять их размер и форму. Установление такого континуума хиральности для синтетических химических систем, таких как эти сложные частицы, позволяет нам изменять их свойства».

Скрученный свет разделяет наночастицы по размеру в режиме реального времени

Исследователи, сообщающие о своей работе в природа, говорят, что они сейчас заняты поиском приложений для своих частиц-бабочки в машинном зрении. «Свет с круговой поляризацией редко встречается в природе и поэтому очень привлекателен для такого зрения, поскольку позволяет вырезать шум», — объясняет Котов. «Спроектированные конструкции в виде бабочек также можно использовать в качестве маркеров для LiDAR и поляризационных камер».

Скрученные наночастицы также могут помочь создать подходящие условия для производства хиральных лекарств. Хиральность — важное свойство лекарств, поскольку энантиомеры одной и той же молекулы могут иметь совершенно разные химические и биологические свойства. Различие между ними, таким образом, представляет особый интерес для тех, кто разрабатывает новые фармацевтические препараты.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/